一種用于電網(wǎng)電磁暫態(tài)計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)邊界等值方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)分析計(jì)算領(lǐng)域，具體地，涉及一種用于電網(wǎng)電磁暫態(tài)計(jì)算的 網(wǎng)絡(luò)邊界等值方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電磁暫態(tài)計(jì)算廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和研究分析，是電力系統(tǒng)設(shè)備選 型、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、決策制定和故障分析的重要技術(shù)手段。由于所使用的模型復(fù)雜、計(jì)算量大， 因此電磁暫態(tài)計(jì)算能夠仿真的電網(wǎng)規(guī)模較為有限，實(shí)際應(yīng)用中必須對(duì)網(wǎng)絡(luò)邊界進(jìn)行等值處 理。
[0003] 電網(wǎng)電磁暫態(tài)計(jì)算需要對(duì)數(shù)微秒至數(shù)秒間的電磁暫態(tài)過程進(jìn)行模擬，因此在數(shù)赫 茲到數(shù)千赫茲頻帶內(nèi)準(zhǔn)確的模擬電網(wǎng)元件以及對(duì)外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等值化簡，對(duì)于提高電磁暫 態(tài)計(jì)算的準(zhǔn)確性極為重要?，F(xiàn)有電磁暫態(tài)計(jì)算程序擁有較為完善和準(zhǔn)確的電網(wǎng)元件模型， 但由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，難以在等值過程中準(zhǔn)確地保留外部電網(wǎng)的原始特性。
[0004] 目前工程實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)邊界等值方法是對(duì)邊界節(jié)點(diǎn)逐一進(jìn)行短路電流計(jì)算，再根據(jù) 外部電網(wǎng)向該節(jié)點(diǎn)提供的短路電流計(jì)算從該節(jié)點(diǎn)向外部網(wǎng)絡(luò)看的工頻等值阻抗。上述方法 存在以下缺陷：（1)無法準(zhǔn)確描述外部網(wǎng)絡(luò)阻抗的頻譜特性。在外部網(wǎng)絡(luò)較弱或外部網(wǎng)絡(luò) 含有大容量無功補(bǔ)償裝置時(shí)，從邊界節(jié)點(diǎn)向外部網(wǎng)絡(luò)看的等值阻抗將呈現(xiàn)出明顯的非線性 頻譜特性。若忽略這些特性，將給電磁暫態(tài)計(jì)算結(jié)果帶來較大誤差；（2)無法正確描述各邊 界節(jié)點(diǎn)間的電氣聯(lián)系。當(dāng)保留網(wǎng)絡(luò)處于原始網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部而非邊緣時(shí)，各邊界節(jié)點(diǎn)間除了在 保留網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電氣聯(lián)系外，在外部網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部亦存在電氣聯(lián)系，傳統(tǒng)方法割裂了邊界節(jié)點(diǎn)在 外部網(wǎng)絡(luò)中的電氣聯(lián)系；（3)對(duì)每個(gè)邊界節(jié)點(diǎn)單獨(dú)處理的方式，可能重復(fù)計(jì)入外部網(wǎng)絡(luò)提 供的短路電流，使計(jì)算出的工頻等值阻抗不準(zhǔn)確。
[0005] 鑒于電磁暫態(tài)計(jì)算在電網(wǎng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行中的重要地位，研究適用于電網(wǎng)電磁暫態(tài)計(jì) 算的網(wǎng)絡(luò)邊界等值方法，對(duì)于提高電網(wǎng)電磁暫態(tài)計(jì)算的準(zhǔn)確性具有重要價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種提高仿真計(jì)算準(zhǔn)確度、用于電網(wǎng)電磁暫態(tài) 計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)邊界等值方法。
[0007] 本發(fā)明使用的技術(shù)術(shù)語： 電磁暫態(tài)計(jì)算：用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)從數(shù)微秒至數(shù)秒之間的電磁暫態(tài)過程進(jìn)行仿真模 擬。
[0008] 網(wǎng)絡(luò)邊界等值：將網(wǎng)絡(luò)劃分為內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、外部網(wǎng)絡(luò)和邊界節(jié)點(diǎn)三部分，保持內(nèi)部網(wǎng) 絡(luò)不變，將外部網(wǎng)絡(luò)用包含邊界節(jié)點(diǎn)的簡化網(wǎng)絡(luò)替代的過程。
[0009] 諧波阻抗：支路或網(wǎng)絡(luò)的阻抗隨頻率變化的特性。
[0010] Ward等值：一種對(duì)線性有源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行星一網(wǎng)變換以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化簡的方法。
[0011] 節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣：一種由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電壓方程導(dǎo)出，用以描述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系、支路 導(dǎo)納參數(shù)的對(duì)稱稀疏矩陣。
[0012] 本發(fā)明解決上述問題所采用的技術(shù)方案是： 一種用于電網(wǎng)電磁暫態(tài)計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)邊界等值方法，包括以下步驟： S1、預(yù)設(shè)諧波阻抗觀測母線的步驟：諧波阻抗觀測母線包含以下三類：（1)內(nèi)部子網(wǎng)的 樞紐站點(diǎn)高壓\中壓母線；（2)電磁暫態(tài)計(jì)算中待模擬操作的母線；（3)內(nèi)部子網(wǎng)中關(guān)鍵發(fā) 電廠的高壓母線。
[0013] S2、預(yù)設(shè)等值邊界的步驟； 優(yōu)選的，該步驟中，以包含所有諧波阻抗觀測母線的最小子網(wǎng)為核心內(nèi)部子網(wǎng)，將核心 內(nèi)部子網(wǎng)與外部網(wǎng)絡(luò)的邊界預(yù)設(shè)為初始等值邊界。
[0014] S3、獲取諧波導(dǎo)納矩陣基礎(chǔ)參數(shù)的步驟：依次讀取電網(wǎng)指定運(yùn)行方式下的母線、線 路、變壓器、發(fā)電機(jī)、無功補(bǔ)償、負(fù)荷投入情況及對(duì)應(yīng)的工頻參數(shù)，包括線路電阻況、電抗Λ、 電納戌、串聯(lián)補(bǔ)償不，變壓器電阻私、電抗X t、非標(biāo)準(zhǔn)變比4,發(fā)電機(jī)定子電阻兄、次暫態(tài)電 抗Xd' '、發(fā)電機(jī)額定容量X，負(fù)荷有功功率/1、無功功率Q，感性無功補(bǔ)償對(duì)地電抗Xr，容性 無功補(bǔ)償對(duì)地電抗X rc。
[0015] S4、基礎(chǔ)參數(shù)預(yù)處理的步驟：消去i[〈l. 0e_5p. u.的短接線支路和相關(guān)短接線母 線，對(duì)有功功率小于0的負(fù)荷將有功功率置0,去除所有發(fā)電機(jī)、負(fù)荷、線路、變壓器及無功 補(bǔ)償未使用的閑置母線，對(duì)所有節(jié)點(diǎn)間和節(jié)點(diǎn)對(duì)地的并聯(lián)支路進(jìn)行合并，并更新線路、變壓 器、發(fā)電機(jī)、無功補(bǔ)償、負(fù)荷工頻參數(shù)。
[0016] S5、形成全網(wǎng)絡(luò)諧波導(dǎo)納矩陣的步驟：在尤_;至_:范圍內(nèi)，按照設(shè)定步長 依次形成諧波導(dǎo)納矩陣，掃描頻率
，其 中，：
為諧波阻抗掃描起始頻率，
為諧波阻抗掃描結(jié)束頻率，為掃描頻率變 化的步長，按照設(shè)定
步長依次建立元件諧波計(jì)算模型，基于元件諧波計(jì)算模型，形成 全網(wǎng)絡(luò)的諧波導(dǎo)納矩陣簇； 優(yōu)選的，各元件的諧波計(jì)算模型為： 對(duì)于發(fā)電機(jī)，串聯(lián)電阻為：
，串聯(lián)電抗為
，其中 S=IOOMVA為系統(tǒng)基準(zhǔn)容量，為系統(tǒng)額定頻率； 對(duì)于無功補(bǔ)償，并聯(lián)電感支路感抗為：
，并聯(lián)電容支路容抗為
， 對(duì)于負(fù)荷，并聯(lián)電阻支路電阻為
，并聯(lián)電抗支路感抗 LlN 丄UOlbUUOS A I ^ J/IU JM
并聯(lián)電容支路容抗
對(duì)于輸電線路，i，i兩節(jié)點(diǎn)間串聯(lián)阻抗為
i、7側(cè)并聯(lián)導(dǎo)納為 對(duì)于變壓器，i，i兩節(jié)點(diǎn)間串聯(lián)阻抗為
，i側(cè)并聯(lián)導(dǎo)納為
，7側(cè)并聯(lián)導(dǎo)納為
，其中
基于上述元件諧波計(jì)算模型，形成全網(wǎng)絡(luò)的諧波導(dǎo)納矩陣簇。
[0017] 進(jìn)一步的，其中，非對(duì)角元與i、j節(jié)點(diǎn)間支路導(dǎo)納為
，對(duì)角元等于該行所有非對(duì)角元的相反數(shù)與該節(jié)點(diǎn)對(duì)地導(dǎo)納之 和，即
[0018] S6、計(jì)算從觀測母線向全網(wǎng)絡(luò)看的諧波阻抗的步驟：針對(duì)每一個(gè)掃描頻率下的諧 波導(dǎo)納矩陣依次設(shè)置諧波阻抗觀測母線的注入電流Λ為1，利用三角分解法求解下列方程，
求得G即為該母線在該指定頻率下向系統(tǒng)看的阻抗，上式中，Λ為電網(wǎng)的母線數(shù)，/為 觀測母線在導(dǎo)納矩陣中的序列號(hào)。再依次求解其他諧波阻抗觀測母線的觀測阻抗，直到所 有指定的頻率都計(jì)算完畢為止。最終匯集所有觀測母線在所計(jì)算頻帶內(nèi)的諧波阻抗值，獲 取待掃描母線集的諧波阻抗陣列，其結(jié)構(gòu)如下：
其中，々為觀測母線個(gè)數(shù)，?為掃描頻率點(diǎn)數(shù)。
[0019] S7、對(duì)預(yù)設(shè)等值邊界進(jìn)行Ward等值的步驟：將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)集合劃分為內(nèi)部系統(tǒng) 節(jié)點(diǎn)子集{I}、邊界節(jié)點(diǎn)子集{B}和外部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)子集{E}，然后將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工頻節(jié)點(diǎn)導(dǎo) 納矩陣按節(jié)點(diǎn)集合的劃分寫成分塊矩陣
消去外部系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)子集，獲取消去外部系統(tǒng)后在邊界節(jié)點(diǎn)附加的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣 ，
：，經(jīng)等值處理后得到簡化系統(tǒng)?；诠?jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣中的對(duì)應(yīng)關(guān) 系，得到化簡后等值邊界附加支路的工頻參數(shù)。
[0020] S8、求解網(wǎng)絡(luò)化簡后從觀測母線向保留子網(wǎng)看的諧波阻抗的步驟：按照前述形成 網(wǎng)絡(luò)諧波導(dǎo)納矩陣的步驟，形成含保留子網(wǎng)和等值化簡網(wǎng)絡(luò)的諧波導(dǎo)納矩陣，再計(jì)算從觀 測母線向保留子網(wǎng)看的諧波阻抗，最終形成網(wǎng)絡(luò)等值化簡后待掃描母線集的諧波阻抗陣列 7
[0021] S9、比較等值前后掃描母線集諧波阻抗的步驟：將矩陣:P|和_中所有元素均轉(zhuǎn) 換成極坐標(biāo)形式，獲得模矩陣
和相角矩陣:丨
，計(jì)算等值前后的差異矩陣

，再根據(jù)下式計(jì)算綜合差異指標(biāo)y。
[0022] 優(yōu)選的，差異指標(biāo)
[0023] 確定最終等值方案的步驟：當(dāng)綜合差異指標(biāo)大于閾值，則返回修改預(yù)設(shè)等值邊 界，將等值邊界向外部網(wǎng)絡(luò)延拓一級(jí)，重復(fù)上述步驟，直到綜合差異指標(biāo)滿足閾值要求，優(yōu) 選的，所述的綜合差異指標(biāo)閾值r_=〇. 〇5。
[0024] 利用本發(fā)明提出的方法，可以獲知每一母線向系統(tǒng)看的諧波阻抗，為諧波、故障分 析提供參考，在對(duì)網(wǎng)絡(luò)邊界進(jìn)行等值的過程中不僅保留了外部網(wǎng)絡(luò)的諧波阻抗特性，也保 留了等值邊界各節(jié)點(diǎn)間的互阻抗聯(lián)系，從而使等值結(jié)果更多的留存了原始網(wǎng)絡(luò)的頻率阻抗 特性，提高了網(wǎng)絡(luò)等值和電磁暫態(tài)計(jì)算的準(zhǔn)確性。
[0025] 為在網(wǎng)絡(luò)邊界等值過程中準(zhǔn)確保留外部網(wǎng)絡(luò)的諧波阻抗特性和邊界節(jié)點(diǎn)間的電 氣聯(lián)系，該方法通過讀取電網(wǎng)的線路、變壓器、發(fā)電機(jī)、無功補(bǔ)償及負(fù)荷參數(shù)，形成指定運(yùn)行 方式下網(wǎng)絡(luò)的諧波導(dǎo)納矩陣，基于等值前網(wǎng)絡(luò)諧波導(dǎo)納矩陣對(duì)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)指定節(jié)點(diǎn)進(jìn)行諧波 阻抗掃描，對(duì)預(yù)設(shè)邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行Ward等值獲取包含等值化簡網(wǎng)絡(luò)的保留子網(wǎng)，再基于保留 子網(wǎng)諧波導(dǎo)納矩陣對(duì)指定節(jié)點(diǎn)進(jìn)行諧波阻抗掃描，分析比較等值前后指定節(jié)點(diǎn)的諧波阻 抗，當(dāng)二者不滿足誤差條件時(shí)，返回修改預(yù)設(shè)邊界、擴(kuò)大保留子網(wǎng)范圍，再對(duì)邊界進(jìn)行Ward 等值和掃描保留子網(wǎng)指定節(jié)點(diǎn)諧波阻抗，直至等值前后指定節(jié)點(diǎn)諧波阻抗?jié)M足誤差條件為 止。
[0026] 綜上，本發(fā)明的有益效果是： 電磁暫態(tài)計(jì)算在電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和分析研究等領(lǐng)域中具有舉足輕重的作用，是 電力系統(tǒng)設(shè)備選型、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、決策制定和故障分析的重要技術(shù)手段。由于所使用的模型復(fù) 雜、計(jì)算量大，因此電磁暫態(tài)計(jì)算能夠仿真的電網(wǎng)規(guī)模較為有限，實(shí)際應(yīng)用中必須對(duì)網(wǎng)絡(luò)邊 界進(jìn)行等值處理。傳統(tǒng)的電磁暫態(tài)計(jì)算邊界等值方法是對(duì)等值邊界節(jié)點(diǎn)逐一進(jìn)行短路電流 計(jì)算，再根據(jù)外部電網(wǎng)向該節(jié)點(diǎn)提供的短路電流計(jì)算從該節(jié)點(diǎn)向外部網(wǎng)絡(luò)看的工頻等值阻 抗，忽略了外部網(wǎng)絡(luò)阻抗的頻譜特性，也無法正確描述各邊界節(jié)點(diǎn)間的電氣聯(lián)系，從而對(duì)電 磁暫態(tài)計(jì)算的準(zhǔn)確度造成影響。
[0027] 本發(fā)明基于等值前后的網(wǎng)絡(luò)諧波導(dǎo)納矩陣，對(duì)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)指定母線進(jìn)行諧波阻抗掃 描，可獲取指定母線向電網(wǎng)看的諧波阻抗特性，同時(shí)也使等值子網(wǎng)保留了原始網(wǎng)絡(luò)的阻抗 頻譜特性，解決了弱聯(lián)系電網(wǎng)的邊界等值問題。
[0028] 本發(fā)明對(duì)邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行Ward等值，獲取包含等值化簡網(wǎng)絡(luò)的保留子網(wǎng)，從而完整 的保留了等值邊界節(jié)點(diǎn)間的電氣聯(lián)系，解決了環(huán)網(wǎng)內(nèi)部子網(wǎng)絡(luò)的邊界等值問題。
[0029] 本發(fā)明對(duì)等值前后內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)指定母線的諧波阻抗模值、相位進(jìn)行比較，從而可以 不依賴于數(shù)值仿真結(jié)果來驗(yàn)證等值的準(zhǔn)確性。
[0030] 本發(fā)明提出的方法解決了在等值子網(wǎng)中保留原始網(wǎng)絡(luò)阻抗頻譜特性的問題和環(huán) 網(wǎng)內(nèi)部子網(wǎng)的邊界等值問題，并且提供了一種不依賴于數(shù)值仿真結(jié)果來驗(yàn)證等值準(zhǔn)確性的 途徑。利用本發(fā)明提出的方法，可以快速得出網(wǎng)絡(luò)中任意母線向系統(tǒng)看的諧波阻抗值，可以 為電磁暫態(tài)計(jì)算提供保留原始網(wǎng)絡(luò)阻抗頻譜特性和邊界節(jié)點(diǎn)間完整電氣聯(lián)系的等值結(jié)果， 從而提高仿真計(jì)算的準(zhǔn)確度。
【附圖說明】
[0031] 圖1是發(fā)電機(jī)支路的數(shù)學(xué)模型； 圖2是無功補(bǔ)償支路的數(shù)學(xué)模型； 圖3是負(fù)荷支路的數(shù)學(xué)模型； 圖4是輸電線路的數(shù)學(xué)模型； 圖5是變壓器的數(shù)學(xué)模型； 圖6是不同頻率下網(wǎng)絡(luò)的諧波導(dǎo)納矩陣簇； 圖7是Ward等值后的邊界節(jié)點(diǎn)及其支路連接關(guān)系； 圖8是實(shí)施例所使用的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地的詳細(xì)